Karakteristik Aliran Lumpur (Mud Slurry) Pada Pipa 1 Inchi ?· Karakteristik Aliran Lumpur (Mud Slurry)…

  • Published on
    25-Apr-2019

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

KarakteristikAliranLumpur(MudSlurry)PadaPipa1Inchi

Roby Irwansyah. Fakultas Industri, jurusan Teknik Mesin. roby_m01@yahoo.com

Abstraksi

Fluida Non-Newtonian atau fluida viscoelastic yaitu salah satu fluida lumpur yang mempunyai banyak

jenis yang terdapat berbagai campuran material. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menguji sifat-sifat

kekentalan aliran dan membuat kurva aliran untuk lumpur dengan menggunakan pipa bulat, dengan

diameter 25,4 mm(inchi). Pada penelitian ini lumpur divariasikan konsentrasi kepadatannya (CW) yaitu

45%, 35% dan 25%. Tegangan geser dan gradient kecepatan didapatkan dengan perhitungan, dari data

variasi kecepatan aliran pada masing-masing gradient tekanannya. Sedangkan nilai power law eksponen

didapat untuk masing-masing perubahan konsentrasi larutan lumpur. Pada konsentrasi padatan (CW)

45% dan 35% termasuk fluida Non-Newtonian dengan karakteristik pseudoplastic atau plastis semu,

sedangkan konsentrasi padatan 25% lebih cenderung bersipat fluida Newtonian. Hasil menujukkan

kekentalan sesaat dari larutan lumpur tidak proposional dengan tegangan geser dan gradient kecepatan

tetapi berhubungan dengan model power lawnya.

I. Pendahuluan Pada umumnya fluida yang akan di

pindahkan memiliki kekentalan yang berbeda-

beda. Nilai kekentalan sangat penting untuk di

ketahui agar dapat menentukan kebutuhan

energi yang diperlukan. Disamping itu pula

kekentalan fluida ini akan menentukan sumber

energi yang akan digunakan pompa untuk

memindahkannya. Banyak faktor yang akan

mempengaruhi keketalan dari suatu fluida,

antara lain temperatur, kandungan zat dalam

fluida tersebut dan lain sebagainya.

Fluida secara umum dapat di bedakan

menjadi dua bagian yaitu fluida Newtonian dan

fluida Non-Newtonian yang mempunyai sifat

sangat berbeda. Untuk fluida Newtonian

viskositasanya tidak mengalami perubahan

ketika ada gaya yang berkerja padanya,

viskositas fluida ini akan mengalami perubahan

jika terjadi perubahan temperature. Sementara

fluida Non-Newtonian akan mengalami

viskositas ketika terdapat gaya yang berkerja

pada fluida tersebut, fluida Non-Newtonian tidak

tahan terhadap tegangan geser (shear stress),

kekentalan fungsi dari waktu, gradient

kecepatan (shear strain) dan temperature.

Energi yangdiperlukan untuk memindahkan

fluida ini sangat besar, begitu pula dengan

bentuk dari pipa penyalurnya, dengan pipa spiral

diharapkan tidak terjadi pengendapan pada saat

fluida dialirakan dalam kecepatan rendah.

Mud Slurry (lumpur) merupakan salah

satu contoh fluida Non-Newtonian fluida ini akan

mengental seiring dengan waktu. Pada kasus

lumpur (slurry), lumpur bercampur dengan slay

sehingga tidak begitu mudah untuk dialirkan

karena lumpur ini akan cenderung mengendap

sehingga membentuk padatan / sludge yang

tidak bisa dialirkan sama sekali. Kondisi ini

dipersulit dengan kandungan padatan yang lebih

tinggi dari material yang telah terakumulasi

dibanding dengan lumpur segar pada pusat

semburan.

Sistem transportasi mud slurry dalam

pipa harus menghidari kondisi ekstrim, yaitu

kecepatan terlalau rendah yang membuat

padatan mulai mengendap atau kecepatan yang

terlalu tinggi yang menyebabkan tingkat abrasi

pipa dan pressure drop yang terlalu berlebihan.

Banyak study telah dilakukan untuk

mendapatkan kecepatan alir yang optimum dari

sisi pencegahan pengendapan padatan dan

kebutuhan daya.

Dengan menggunakan pipa untuk

mengaliri slurry maka dapat diharapkan dapat

mengurangi pengendapan padatan meskipun

dalam kecepatan yang rendah, kerugian

tekanan yang berupa head loss, preassure drop,

dan friction losses dapat dikurangi, sehingga

slurry dapat dialirkan dengan energi sekecil

mungkin.

II Landasan Teori 2.1 Definisi Fluida

Fluida secara khusus didefinisikan

sebagai zat yang berdeformasi terus menerus

selama dipengaruhi tegangan geser. Sebuah

tegangan geser terbentuk apabila sebuah gaya

tangensial berkerja pada sebuah permukaan.

Apabila benda-benda padat biasanya seperti

baja atau logam-logam lainnya dikenai oleh

suatu tegangan geser, mula-mula itu akan

berdeformasi (biasanya sangat kecil), tetapi

tidak akan terus menerus berdeformasi

(mengalir). Tetapi cairan seperti air, minyak, dan

udara memenuhi definisi dari sebuah fluida.

Secara umum fluida dibagi menjadi dua, yaitu

statika fluida dan dinamika fluida. Statika fluida

adalah fluida yang tidak bergerak (diam),

dinamika fluida adalah fluida yang bergerak.

Dalam penerapanya, fluida tidak terlepas

dengan viskositasnya.

Viskositas secara umum dapat

didefinisikan sebagai ketahanan sebuah fluida

terhadap deformasi (perubahan bentuk). Untuk

menentukan jenis aliran pada suatu tempat

dapat menggunakan rumus.

dydu =

(2.1)

Dengan :

=

Viskositas..(Pa.s)

= Tegangan

geser.(Pa)

du/dy = Gradient

kecepatan..(1/s)

Oleh karena itu untuk menentukan jenis aliran

tersebut, maka dapat dilihat dari .

2.2 Macam-macam Aliran Fluida

Mekanika fluida adalah ilmu yang

mempelajari tentang tipe-tipe aliran fluida dalam

medium yang berbeda-beda.

Berdasarkan pergerakannya aliran fluida terdiri

dari:

1. Steady Flow Steady flow adalah suatu aliran fluida

dimana kecepatannya tidak terpengaruh

oleh perubahan waktu, sehingga

kecepatan konstan pada setiap titik

pada aliran tersebut.

2. Non Steady Flow Non steady flow terjadi apabila suatu

perubahan kecepatan pada aliran

tersebut terhadap perubahan waktu.

3. Uniform Flow Unifrom flow merupakan aliran fluida

yang terjadi besar dan arah dari vektor-

vektor kecepatan tidak berubah dari

suatu titik ke titik berikutnya dalam aliran

fluida tersebut.

4. Non Unifrom Flow Non uniform flow terjadi jika besar dan

arah vektor-vektor kecepatan fluida

selalu berubah terhadap lintasannya. Ini

terjadi apabila luas penampang medium

fluida juga berubah.

Aliran fluida berdasarkan gaya yang berkerja

pada fluida tersebut:

Aliran Laminar Aliran laminar didefinisikan sebagai

aliran fluida yang bergerak dalam

lapisan-lapisan, atau lamina-lamina

dengan satu lapisan yang meluncur

secara merata. Dalam aliran laminar ini

viskositas berfungsi untuk meredam

kecenderungan-kecenderungan

terjadinya gerakan relatife antara

lapisan. Sehingga aliran laminar

memenuhi hukum viskositas Newton.

Gambar 2.1

Distribusi kecepatan aliran laminar

pada pipa tertutup[1]

Aliran Turbulen Aliran turbulen didefinisikan sebagai

aliran yang dimana pergerakan partikel-

partikel fluida sangat tidak menentu

karena mengalami percampuran serta

putaran partikel antara lapisan, yang

mengakibatkan saling tertukar

momentum dari satu bagian fluida

kebagian fluida yang lain dalam skala

yang besar. Dalam keadaan aliran

turbulen maka turbulensi yang terjadi

mengakibatkan tegangan geser yang

merata diseluruh fluida sehingga

menghasilkan kerugian-kertugian yang

lain.

Gambar 2.2 Distribusi kecepatan aliran

turbulen

dalam pipa tertutup pada arah aksial[1]

Aliran Transisi Aliran transisi merupakan aliran dari

peralihan dari aliran laminar ke aliran

turbulen.

Aliran berdasarkan bisa tidaknya dikompres,

sebagai berikut :

Compresible flow, dimana aliran ini

merupakan aliran yang mampu mampat.

Incompresible flow, aliran tidak mampu

mampat. 2.3 Bilangan Reynold

Bilangan Reynold digunakan untuk

menentukan sifat pokok aliran, apakah aliran

tersebut laminar, transisi atau turbulen. Osborne

Reynold telah mempelajari untuk mencoba

menentukan bila dua situasi aliran yang berbeda

akan serupa secara dinamika bila memenuhi :

1. Kedua aliran tersebut serupa secara

geometric, yakni ukuran-ukuran

linier yang bersesuaian mempunyai

perbandingan konstan.

2. Garis-garis aliran yang bersesuaian

adalah serupa secara geometric,

atau tekanan-tekanan di titik-titik

yang bersesuaian mempunyai

perbandingan konstan.

Dalam menyimak dua situasi aliran yang serupa

secara geometric, Reynold menyimpulkan

bahwa aliran-aliran tersebut akan serupa

dinamik jika persamaan-persamaan diperensial

umum yang menggambarkan aliran-aliran

tersebut indentik.

VD

=Re

...(2.2)

=v

...(2.3)

Dengan mensubtitusikan persamaan

(2.3) Kedalam persamaan (2.2) maka akan

didapat:

vvD

=Re

..(2.4)

Dengan :

V = Kecepatan fluida yang

mengalir (m/s)

D = Diameter dalam pipa (m)

= Massa jenis fluida (kg/m3)

= Viskositas dimakim fluida

(Pa.s)

= Viskositas kinematik (Pa)

Pada fluida air suatu aliran diasumsikan

laminar bila aliran tersebut mempunyai bilangan

Reynold (Re) kurang dari 2000, untuk aliran

transisi berada pada bilangan Re 2000 < 3000

biasa juga disebut sebagai bilangan Reynold

kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai

bilangan Reynold lebih dari 3000.

Viskositas Viskositas fluida merupakan ukuran

ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi

atau perubahan bentuk. Vikositas dipengaruh

oleh temperature, tekanan, kohesi dan laju

perpindahan momentumnya. Viskositas zat cair

cenderung menurun dengan seiring tambahnya

kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya-

gaya kohesi pada zat cair bila akan mengalami

penurunan dengan semakin bertambahnya pada

zat cair yang menyebabkan turunnya viskositas

dari zat cair tersebut.

Viskositas dibagi menjadi dua macam:

1. Viskositas dinamik atau viskositas

mutlak (absolute viscosity) memiliki

nilai sama dengan hukum viskositas

Newtom.

dydu = (kg/m.s)

..........(2.5)

Dengan :

= Tegangan geser pada

fluida (N/m2)

dydu

= Gradient kecepetan

(1/s)

2. Viskositas kinematik merupakan

antara viskositas mutlak terhadap

kerapatan massa

= (m2/s)..............................

............................................(2.6)

Dengan :

= Nilai dari viskositas

dinamika fluida (kg.m/s)

= Nilai kerapatan

massa fluida (kg/m3)

2.5 Rapat Jenis (Density)

Density atau rapat jenis () suatu zat

adalah ukuran bentuk konsentrasi zat tersebut

dan dinyatakan dalam massa persatuan volume,

sifat ini ditentukan dengan cara menghitung

nisbah (ratio) massa zat yang terkandung dalam

suatu bagian tertentu terhadap volume bagian

tersebut. Hubungannya dapat dinyatakan

sebagai berikut:

m= (kg/m3)

..(2.7)

Dengan :

m = Massa fluida (kg)

V = Volume fluida (m3)

Nilai density dapat dipengaruhi oleh

temperatur, semakin tinggi temperature maka

kecepatan suatu fluida semakin berkurang

disebabkan gaya kohesi dari molekul-molekul

semakin berkurang.

2.6 Debit Aliran

Debit aliran dipergunakan untuk

menghitung kecepatan aliran pada masing-

masing pipa dimana rumus debit aliran :

tVQ =

..(2.8)

dari persamaan kontinuitas didapat

vAQ =

Maka AQv =

Dimana 41

=A D2

Dengan memasukan A didapat

2

41 D

Qv

=

.(2.9)

Dengan :

Q = Debit aliran (m3/s)

v = Kecepatan aliran (m/s)

A = Luas penampang

(m2)

V = Volume fluida (m3)

2.7 Persamaan-persamaan yang berkaitan dengan aliran fluida

Persamaan kontinuitas

vA.. = m = konstan

.

.(2.10)

Dengan :

= Massa jenis fluida

(kg/m3)

A = Luas penampang

yang dilalui fluida (m2)

v = Kecepatan aliran fluida (m/s)

Karena pada aliran incompressible tidak ada

aliran massa jenis maka berlaku:

A.v = Q = konstan

.(2.11)

Dengan :

Q = Debit aliran (laju

volumetric)

Persamaan Bernoulli

p

+

2

2v+ g.z = konstan

.(2.12)

Dengan :

P = Tekanan pada satu

titik aliran fluida (N/m2)

= Massa jenis fluida

(kg/m3)

v = Kecepatan fluida

(m/s)

g = Percepatan gravitasi

(m/s)

z = Tinggi suatu titik dari

permukaan (m)

2.8 Aliran di dalam pipa

Dalam aliran tak mampu mampat

(incompressible) steady di dalam pipa,

dinyatakan kerugian tinggi-tekan atau

penurunan tekanan (preassure drop) untuk

perhitungan di dalam pipa pada umumnya di

pakai persamaan Darcy Weisbach.

g

vDLfhf

.2..

2

= (m)

...(2.13)

Dengan :

L = Panjang pipa (m)

D = Diameter pipa (m)

v = Kecepatan rata-rata

aliran (m/s)

g = Percepatan garavitsi

(m/s2)

f = Friction factor (tidak

berdimensi)

untuk mencari f (faktor gesekan)

Aliran laminar

RNf 64=

........(2.14)

Aliran turbulen

41

316,0

Rf =

...(2.15)

Pada analisa silmulasi atau eksperimen

aliran fluida didalam pipa ketika berada sekitar

pintu masuk kecepatan aliran diandaikan

seragam atau belum berkembang penuh. Untuk

mencari aliran berkembang dapat dicari dengan

rumus sebagai berikut :

DLe

= 0,06.Re untuk aliran

laminar ...(2.16)

DLe

= 4,4.Re1/4 untuk aliran

turbulen...(2.17)

Fluida ditinjau dari tegangan geser yang

dihasilkan maka fluida dapat dikelompokan

dalam dua yaitu fluida Newtonian dan Non-

Newtonian. Fluida Newtonian mangalami

hubungan yang linier antara besarnya tegangan

geser rate of share-nya yang berarti pada

permukaan dinding pipa tegangan gesernya

terjadi laju perubahan bentuk yang

diakibatkannya. Hal ini dapat diartikan bahwa

viskositas fluida () konstan (sesuai dengan

hukum viskositas Newton), sedangkan fluida

Non-Newtonian mengalami hubungan yang tidak

linier antara besarnya tegangan geser yang

terjadi dan laju perubahan bentuknya. Suatu

plastic ideal mempunyai tegangan searah

tertentu dan hubungan linier yang konstan

antara tegangan geser dan laju perubaahan

bentuk. Suatu zat tisotropik, seperti tinta cetak,

mempunyai viskositas yang tergantung pada

perubahan bentuk zat langsung sebelumnya dan

mempunyai kecenderungan untuk mengental

bila tidak bergerak. Pada umumnya gas dan

cairan encer cenderung bersfat Newtonian,

sedangkan hidrokarbon berantai panjang yang

kental mungkin bersifat Non-Newtonian.

Gambar 2.3 kurva aliran hubungan antara

apparent viscosity

dan g...